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Il legno è un materiale onnipresente che è stato utilizzato nell'edilizia fin dai tempi più antichi. Rinnovabile e sostenibile, il legno è un materiale strutturale ampiamente utilizzato in ingegneria per la costruzione di edifici residenziali unifamiliari e anche per l'intelaiatura di pareti divisorie e altri elementi non strutturali in edifici commerciali e industriali.
Grazie alla sua origine naturale, il legno ha proprietà meccaniche legate alle singole specie arboree. Il contenuto di umidità e altre variabili, ad esempio la presenza di difetti. Per un'applicazione specifica, un progettista deve considerare attentamente i carichi previsti su un elemento o una struttura in legno al fine di garantire la massima efficacia del materiale.
Questo video illustra come testare le proprietà meccaniche di diversi tipi di legno e determinare il loro comportamento sforzo-deformazione e le prestazioni fleturali.
Il legno è composto da celle tubolari allungate, rotonde o rettangolari che sono molto più lunghe che larghe. All'interno del muro ci sono diversi strati fatti di microfibrille, che sono fasci di polimeri di cellulosa.
Le catene di microfibrille sono allineate in direzioni distinte all'interno degli strati delle pareti. La parete centrale con le sue catene allineate lungo la dimensione più lunga della cellula fornisce la maggior parte della forza alla cellula, mentre le catene diagonali delle pareti interne ed esterne forniscono stabilità. La lignina lega insieme i polimeri di cellulosa, le catene di microfibrille e le cellule delle pareti. L'effetto di raggruppamento di molte celle insieme si traduce in un materiale da costruzione molto resistente.
Il legno è un materiale biologico e, quindi, è molto suscettibile al degrado ambientale e agli attacchi dei parassiti. Gran parte del legno utilizzato oggi è pretrattato con sostanze chimiche per proteggerlo dall'ambiente e dall'attacco degli insetti.
Il legno è un materiale disomogeneo caratterizzato da un gran numero di imperfezioni o difetti come, ad esempio, nodi e spaccature. Di conseguenza, vengono utilizzati grandi fattori di sicurezza o rapporti tra la resistenza di progetto e la resistenza finale effettiva per tenere conto di grandi variazioni nelle proprietà ingegneristiche di diversi pezzi di legno.
Per la sua composizione cellulare, il legno è un materiale ortotropo, con proprietà diverse lungo l'asse longitudinale e, rispettivamente, quello trasversale rispetto alla direzione della venatura. Di conseguenza, il materiale si comporterà in modo diverso ai carichi paralleli o perpendicolari alla fibra del legno. Le proprietà ortotrope del legno possono essere migliorate con diversi metodi.
I laminati come il compensato sono costituiti da strati con fibre allineate in direzioni perpendicolari, risultando in un materiale isotropo. In alternativa, il legno lamellare è costituito da sottili strisce di fibre allineate nella stessa direzione e incollate sotto pressione, derivando la sua forza dalla distribuzione dei difetti.
La composizione cellulare del legno rappresenta anche l'acqua libera all'interno delle cavità cellulari e l'acqua legata alle pareti cellulari. Di conseguenza, il contenuto di umidità è un parametro chiave per determinare la resistenza del legno e, in generale, la riduzione dell'umidità si tradurrà in un aumento della resistenza. Le variazioni volumetriche associate all'essiccazione possono causare restringimenti e distorsioni non uniformi come torsioni, fiocchi, tazze o storce.
Poiché il legno è un materiale polimerico, è anche soggetto a scorrimento o, sotto carico costante, a continue deformazioni viscose. Quando il carico viene rilasciato, la maggior parte della deformazione viene recuperata. Di conseguenza, il legno può generalmente sopportare sollecitazioni molto più elevate se la durata del carico è breve. Poiché tutti questi fattori sarebbero troppo complessi per l'uso nella progettazione quotidiana, per scopi strutturali utilizziamo i seguenti: un'analisi statistica dei valori di resistenza ultimi privi di difetti per molte specie, correzioni per il contenuto di umidità e rapporti di resistenza basati sul tipo di legno per correggere gli effetti di riduzione della resistenza.
Le proprietà comunemente attribuite per la maggior parte dei legni sono pubblicate in forma tabellare per una facile consultazione. Queste proprietà sono: sollecitazione di flessione ammissibile, tensione parallela alla fibratura, taglio orizzontale, compressione perpendicolare alla fibratura, compressione parallela alla fibratura e modulo di elasticità. Oltre alle proprietà di base specifiche per l'orientamento delle specie legnose, dovrebbe essere evidente che non tutto il legno si comporta allo stesso modo sotto carico.
Ora che hai compreso le proprietà fisiche del legno e i principi dei test sul legno, usiamoli per eseguire alcuni test.
Prima di iniziare, scegli tre varietà di legno da confrontare. Per ogni varietà, preparare due campioni di cubo di compressione con dimensioni nominali del bordo di 3,5 pollici. Assicurarsi che i cubi siano privi di difetti e che le loro superfici opposte siano parallele. Contrassegnare un campione di ciascuna varietà per la prova con un carico applicato parallelamente alla grana e i campioni rimanenti per la prova con un carico applicato perpendicolarmente alla grana.
Misurare l'altezza della direzione di carico di ciascun provino utilizzando un calibro. E ripeti la misurazione in alcune posizioni per determinare la media approssimativa. Al termine, utilizzare la stessa procedura per determinare le dimensioni della sezione trasversale di ciascun campione.
Configurare la macchina di prova universale come mostrato nel video JoVE relativo alle costanti del materiale. Quindi, centrare con cura un campione con l'orientamento corretto sulla piastra di compressione. Abbassare la traversa fino a quando non viene applicato un leggero carico, quindi utilizzare i controlli di precisione per ridurre il carico il più vicino possibile allo zero.
Ora applicare il carico di compressione a una velocità di carico di 40 psi al secondo. La prova di compressione può continuare per diversi minuti all'aumentare del carico e con una notevole deformazione visibile nel campione. Attendere che il test continui fino a raggiungere un carico massimo evidente.
Registrare il carico massimo al termine del test, quindi ripetere la procedura per i campioni rimanenti.
Eseguire un'altra prova di compressione e, questa volta, applicare il carico perpendicolarmente alla grana del provino. Ripetere la procedura per le altre varietà di legno.
Ora prepara alcuni esemplari di dogbone usando le stesse tre varietà di legno. Preparare una serie di campioni con la grana parallela alla dimensione lunga e una seconda serie con la grana perpendicolare alla dimensione lunga.
Eseguire prove di trazione su tutti e sei i campioni come mostrato nel video JoVE per quanto riguarda le caratteristiche sforzo-deformazione dell'acciaio.
Procura un due per quattro lungo circa 24 pollici di ogni varietà di legno. Installare l'apparecchio di prova di flessione a quattro punti sulla macchina di prova universale. Una volta che l'apparecchio è pronto, avviare la macchina di prova. Regolare le impostazioni del test per registrare i carichi e i valori della traversa e acquisire il carico massimo. Installare il campione nell'apparecchio e far cadere la traversa superiore fino a quando l'apparecchio inizia a entrare in contatto con la trave di legno.
Applicare il carico a una velocità di 2.000 libbre al minuto fino a quando la trave non si rompe. Registrare il carico di guasto al termine del test, quindi ripetere il test per i campioni rimanenti.
Utilizzare una tabella per riassumere i risultati dei test di compressione, trazione e flessione. Successivamente, in ogni colonna, normalizzare i dati al valore massimo e creare una nuova tabella.
Ora, dai un'occhiata ai tuoi risultati. Come dimostrato costantemente da tutti i risultati, la quercia è il legno più forte, seguita dall'abete rosso e dal pino meridionale. Per le due proprietà più importanti, la resistenza alla flessione e la compressione parallela alla venatura, l'abete rosso sembra essere all'incirca l'87% e il pino meridionale circa il 78%, forte quanto la quercia. Data la differenza di prezzo molto ampia tra i legni, il pino del sud come il più economico di essi è una scelta molto efficiente.
I test sul legno sono di fondamentale importanza nell'ingegneria strutturale per valutare la capacità dei progetti finali di gestire le sollecitazioni e le sollecitazioni durante l'uso di routine, al fine di garantire la sicurezza del prodotto e la conformità agli standard internazionali.
In una prova di flessione a quattro punti, una trave semplicemente supportata viene caricata con due carichi uguali al suo terzo punto, risultando in una porzione centrale con momento costante e taglio nullo. Questo test è fondamentale per i sistemi di pavimentazione in cui gli elementi strutturali del legno sono caricati principalmente da sollecitazioni di flessione.
Fino a poco tempo fa, le strutture in legno erano limitate a tre o quattro piani in un appartamento o in un piccolo edificio per uffici. Lo sviluppo del legno lamellare incrociato ha portato allo sviluppo di sistemi strutturali in grado di raggiungere otto o più piani. Mentre edifici molto più alti, nell'ordine di 20 piani, sono ancora in fase di sviluppo.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE ai test sul legno. Ora dovresti comprendere le proprietà ingegneristiche del legno e come eseguire prove di trazione, compressione e flessione su campioni di legno.
Grazie per l'attenzione!
